KR102626742B1 - Energy generator added by asymmetrically coated two dimensional hygroscopic nanoclay and manufacturing method for the energy generator - Google Patents
Energy generator added by asymmetrically coated two dimensional hygroscopic nanoclay and manufacturing method for the energy generator Download PDFInfo
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Abstract
2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭으로 코팅되어 첨가된 에너지 발전기 및 에너지 발전기의 제조 방법을 개시한다. 일실시예에 따른 에너지 발전기는 탄소층이 전체적으로 코팅되고, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 일부 영역에 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함하고, 상기 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 영역에 물을 인가하여 물의 젖음 현상에 따라 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다. Disclosed is an energy generator in which two-dimensional hygroscopic nanoclay is asymmetrically coated and added, and a method for manufacturing the energy generator. The energy generator according to one embodiment includes a hydrophilic fiber membrane coated entirely with a carbon layer and asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay in some areas, and the two-dimensional hygroscopic nanoclay in the hydrophilic fiber membrane. It may be characterized by applying water to an area asymmetrically coated with clay and generating electrical energy according to the wetting phenomenon of the water.
Description
이하의 설명은 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭으로 코팅되어 첨가된 에너지 발전기 및 에너지 발전기의 제조 방법에 관한 것이다.The following description relates to an energy generator and a method of manufacturing the energy generator in which two-dimensional hygroscopic nanoclay is asymmetrically coated and added.
부처명: 산업체Name of Ministry: Industry
과제고유번호: SRFC-MA1802-05Project identification number: SRFC-MA1802-05
연구사업명: 산업체연구개발사업Research project name: Industrial research and development project
연구과제명: 자가수분 흡착기술기반 에너지 하베스팅 시스템 개발(2021)Research project name: Development of energy harvesting system based on self-moisture adsorption technology (2021)
계정번호: G01210399Account number: G01210399
주관기관(과제수행기관명): 한국과학기술원Host organization (name of project carrying out organization): Korea Advanced Institute of Science and Technology
연구관리전문기관[과제관리(전문(기관명))]: 삼성전자(주)Research management specialized institution [Project management (professional (name of organization))]: Samsung Electronics Co., Ltd.
연구기간: 2021-07-01 ~ 2021-11-30Research period: 2021-07-01 ~ 2021-11-30
최근 세계적으로 환경 이슈가 부각되고 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기를 맞이하면서 다양한 대체 에너지원 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그러나 현재 사용 단계의 대체 에너지원은 제한적인 효율성과 수익성에 기인하여 한정적으로 이용되고 있다는 한계점을 지니고 있다. 최근 우리 주위에서 쉽게 찾을 수 있는 물을 이용하여 에너지를 생산하는 기술이 각광 받고 있으며, 물을 활용한 에너지 하베스터는 태양전지, 압전 발전, 마찰 발전과 달리 특정 시간, 환경, 장소의 제한 없이 안정적으로 직류 형태의 전류를 생산할 수 있다. 물을 이용한 탄소 기반의 에너지 하베스터는 극성 용매가 탄소 표면에 흡착되는 과정에서 형성되는 전기 이중층(electrical double layer)을 활용하여, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 비대칭적 젖음(wetting)에 의해 형성되는 전위 차에 의해 에너지가 생성되게 된다. 하지만 물의 증발에 의해 탄소층이 코팅된 친수성 멤브레인에 수분이 남아있지 않게 되면 에너지 생산을 할 수 없게 되는 한계점이 있다. 탄소 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인의 비대칭적 젖음(wetting)에 의해 형성되는 전위 차에 의해 지속적인 에너지를 생산하기 위해서 주위 환경의 제약 없이 물의 증발 작용을 억제시켜, 물 기반 에너지 발전기에 오랫동안 물을 담지할 수 있는 기술을 확보하는 것이 요구된다.Recently, as environmental issues have become more prominent around the world and we face an energy crisis due to the depletion of fossil fuels, much effort is being made to develop various alternative energy sources. However, alternative energy sources currently in use have limitations in that they are used in a limited manner due to limited efficiency and profitability. Recently, technology for producing energy using water, which can be easily found around us, has been in the spotlight, and unlike solar cells, piezoelectric power generation, and friction power generation, energy harvesters using water can stably operate without restrictions of a specific time, environment, or location. It can produce electric current in the form of direct current. A carbon-based energy harvester using water utilizes an electrical double layer that is formed when a polar solvent is adsorbed on the carbon surface, and is formed by asymmetric wetting of a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer. Energy is generated by the potential difference. However, there is a limitation in that energy production cannot be achieved if no moisture remains in the hydrophilic membrane coated with the carbon layer due to evaporation of water. In order to continuously produce energy by the potential difference formed by asymmetric wetting of the hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer, the evaporation of water is suppressed without the constraints of the surrounding environment, so water cannot be stored in the water-based energy generator for a long time. It is necessary to secure the technology to do it.
[선행특허문헌][Prior patent literature]
한국공개특허 제10-2020-0092236호Korean Patent Publication No. 10-2020-0092236
화석 연료 고갈에 따른 에너지 위기에 대응하기 위해 주위에서 쉽게 찾을 수 있는 물을 에너지 동력으로 사용한 에너지 발전기 및 에너지 발전기의 제조 방법을 제공한다.In order to respond to the energy crisis caused by the depletion of fossil fuels, we provide an energy generator and a method of manufacturing the energy generator using water that can be easily found around us as energy power.
기존에 물을 이용한 에너지 하베스터의 성능을 향상시키기 위해서 친환경적이며, 흡습성 나노클레이를 첨가하여 물의 증발 작용을 지연시킬 수 있는 에너지 발전기 및 에너지 발전기의 제조 방법을 제공한다.In order to improve the performance of existing energy harvesters using water, we provide an energy generator and a method of manufacturing the energy generator that are environmentally friendly and can delay the evaporation of water by adding hygroscopic nanoclay.
2차원 형상의 흡습성 나노클레이를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적으로 위치시켜, 높은 전위 차 및 전류를 장시간 생성할 수 있는 에너지 발전기 및 에너지 발전기의 제조 방법을 제공한다.An energy generator capable of generating high potential difference and current for a long period of time and a method of manufacturing the energy generator are provided by asymmetrically placing two-dimensional hygroscopic nanoclay on a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer.
탄소층이 전체적으로 코팅되고, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 일부 영역에 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함하고, 상기 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 영역에 물을 인가하여 물의 젖음 현상에 따라 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기를 제공한다.It includes a hydrophilic fiber membrane coated entirely with a carbon layer and a two-dimensional hygroscopic nanoclay asymmetrically coated in some areas, and a region of the hydrophilic fiber membrane where the two-dimensional hygroscopic nanoclay is asymmetrically coated. An energy generator is provided, which generates electrical energy according to the wetting phenomenon of the water by applying water to it.
일측에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 물을 담지하여 물이 증발되는 시간을 지연시키는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one side, the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that the two-dimensional hygroscopic nanoclay supports water and delays the time for water to evaporate.
다른 측면에 따르면, 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이는 층상 규산염으로, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 핵토라이트(hectorite), 마가다이트(magadite), 케냐이트(kenyaite), 카올린나이트(kaolinite), 사포나이트(saponite), 바이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 버미큘라이트(vermicullite), 팽윤성 운모(mica), 합성 운모(synthetic mica), 카네마이트(kanemite), 스멕타이트(smectite), 일라이트(illite), 클로라이트(chlorite), 무스코바이트(muscovite), 파이로필라이트(pyrophyllite), 안티고라이트(antigorite), 해록석(glauconite), 질석(vermiculite), 세피올라이트(sepiolite), 이모골라이트(imogolite), 소복카이트(sobockite), 나크라이트(nacrite), 아녹사이트(anauxite), 견운모(sericite), 레디카이트(ledikite), 온석면(chrysotile) 및 안티고라이트(antigorite) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two-dimensional hygroscopic nanoclay is a layered silicate, including montmorillonite, hectorite, magadite, kenyaite, kaolinite, and saponite. (saponite), beidelite, nontronite, vermicullite, swellable mica, synthetic mica, kanemite, smectite, illite ( illite, chlorite, muscovite, pyrophyllite, antigorite, glauconite, vermiculite, sepiolite, imogolite Containing at least one of (imogolite), sobockite, nacrite, anauxite, sericite, ledikite, chrysotile, and antigorite It can be characterized.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층이 전체적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 물에 의해 젖어 있는 영역(wetted region)과 젖어 있지 않은 영역(dry region)의 서로 다른 캐패시턴스(capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 발전되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, a voltage difference induced by a different capacitance difference between a wetted region and a dry region in a hydrophilic fiber membrane entirely coated with the carbon layer. It can be characterized by the generation of electrical energy.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인은 개별 섬유의 표면에 흡습성 나노클레이가 결착되어 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the hydrophilic fiber membrane may be characterized in that hygroscopic nanoclay is bound and coated on the surfaces of individual fibers.
또 다른 측면에 따르면, 상기 인가되는 물의 양은 1회당 0.1 μL 이상 1000 mL 이하의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the amount of water applied may be within the range of 0.1 μL or more and 1000 mL or less per time.
또 다른 측면에 따르면, 상기 인가되는 물은 HF, LiF, NaF, KF, RbF, HCl, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, BeCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2, BaCl2, HBr, LiBr, NaBr, KBr 및 RbBr 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the applied water is HF, LiF, NaF, KF, RbF, HCl, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, BeCl 2 , MgCl 2, CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , HBr, LiBr, It may be characterized as containing at least one of NaBr, KBr, and RbBr.
또 다른 측면에 따르면, 상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may be in the range of 10 μm to 1 mm.
또 다른 측면에 따르면, 상기 전기 에너지의 전압은 10 μV 이상 100 V 이하의 범위에 포함되고, 상기 전기 에너지의 전류는 1 nA 이상 100 mA 이하의 범위에 포함되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the voltage of the electrical energy may be within the range of 10 μV or more and 100 V or less, and the current of the electrical energy may be within the range of 1 nA or more and 100 mA or less.
또 다른 측면에 따르면, 상기 탄소층은 수퍼 P(Super P), 덴카블랙(Denka black), 아세틸랜 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(Ketjen black) 중에서 선택된 탄소입자 내지는, 활성 탄소(activated carbon), 그래핀(graphene) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 전도성의 탄소 물질로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the carbon layer is made of carbon particles selected from Super P, Denka black, acetylene black, and Ketjen black, or activated carbon. , It may be characterized as being composed of a conductive carbon material containing at least one of graphene and carbon nanotubes.
에너지 발전기의 제조 방법에 있어서, (a) 친수성 섬유 멤브레인을 기설정된 규격에 따라 절삭하는 단계; (b) 상기 친수성 섬유 멤브레인을 탄소층을 형성하는 코팅 용액에 침지시켜 면 섬유 표면에 탄소층을 코팅하는 단계; (c) 흡습성 나노클레이 용액을 제조하는 단계; (d) 상기 흡습성 나노클레이 용액을 상기 코팅 용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 (e) 상기 친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역을 상기 혼합 용액에 침지하여 흡습성 나노클레이를 비대칭적으로 코팅함으로써, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제조하는 단계를 포함하는 에너지 발전기의 제조 방법을 제공한다.A method of manufacturing an energy generator, comprising: (a) cutting a hydrophilic fiber membrane according to a preset standard; (b) coating the carbon layer on the surface of the cotton fiber by immersing the hydrophilic fiber membrane in a coating solution that forms a carbon layer; (c) preparing a hygroscopic nanoclay solution; (d) mixing the hygroscopic nanoclay solution with the coating solution to prepare a mixed solution; And (e) immersing a portion of the hydrophilic fiber membrane in the mixed solution to asymmetrically coat the hygroscopic nanoclay, thereby producing a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay. Provides a manufacturing method of an energy generator.
화석 연료 고갈에 따른 에너지 위기에 대응하기 위해 주위에서 쉽게 찾을 수 있는 물을 에너지 동력으로 사용한 에너지 발전기를 제공할 수 있다.In order to respond to the energy crisis caused by the depletion of fossil fuels, an energy generator using water, which can be easily found nearby, as energy power can be provided.
기존에 물을 이용한 에너지 하베스터의 성능을 향상시키기 위해서 친환경적이며, 흡습성 나노클레이를 첨가하여 물의 증발 작용을 지연시킬 수 있다.To improve the performance of existing energy harvesters using water, the evaporation of water can be delayed by adding eco-friendly, hygroscopic nanoclay.
2차원 형상의 흡습성 나노클레이를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적으로 위치시켜, 높은 전위 차 및 전류를 장시간 생성할 수 있다.By placing two-dimensional hygroscopic nanoclay asymmetrically on a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer, high potential differences and currents can be generated for a long time.
2차원 형상의 흡습성 나노클레이는 친수성 물질로 물에 분산이 용이하기 때문에 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 2차원 형상의 흡습성 나노클레이를 균일하게, 그리고 비대칭적으로 코팅하는 것이 용이해진다.Two-dimensional hygroscopic nanoclay is a hydrophilic material that is easily dispersed in water, making it easy to uniformly and asymmetrically coat the two-dimensional hygroscopic nanoclay on the surface of the hydrophilic fiber membrane.
탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적 젖음(wetting) 현상의 지속 시간이 증가됨에 따라 에너지 생산 효율이 향상될 수 있다. 일례로, 0.2 ml의 소량의 물로 1시간 20분 이상의 에너지 생산이 가능하여 에너지 발전기를 전자 기기 및 웨어러블 기기의 보조 전원 장치로 활용하는 것이 가능해진다.Energy production efficiency can be improved as the duration of the asymmetric wetting phenomenon in the hydrophilic fiber membrane coated with the carbon layer is increased. For example, a small amount of 0.2 ml of water can produce energy for more than 1 hour and 20 minutes, making it possible to use the energy generator as an auxiliary power device for electronic devices and wearable devices.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 물 기반의 에너지 발전기의 제조 방법의 예를 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 물 기반의 에너지 발전기의 제작 과정의 예를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 코팅 공정에 따른 친수성 섬유 멤브레인의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 첨가된 물 기반 에너지 발전기의 전력 생성 특성을 나타낸 그래프들이다.The accompanying drawings, which are included as part of the detailed description to aid understanding of the present invention, provide embodiments of the present invention, and together with the detailed description, explain the technical idea of the present invention.
Figure 1 is a flow chart showing an example of a method of manufacturing a water-based energy generator asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing an example of the manufacturing process of a water-based energy generator asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay, according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 to 6 are scanning electron microscope (SEM) images of a hydrophilic fiber membrane according to a coating process, according to an embodiment of the present invention.
Figures 7 to 10 are graphs showing the power generation characteristics of a water-based energy generator to which two-dimensional hygroscopic nanoclay is asymmetrically added, according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들이 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.The present invention can be modified in various ways and can have various embodiments. Hereinafter, specific embodiments will be described in detail based on the accompanying drawings.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
제 1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. It is used.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 물 기반의 에너지 발전기의 제조 방법의 예를 도시한 흐름도이다. 본 실시예에 따른 에너지 발전기의 제조 방법은 친수성 섬유 멤브레인을 기설정된 규격에 따라 절삭하는 단계(110), 친수성 섬유 멤브레인을 탄소층을 형성하는 코팅 용액에 침지시켜 면 섬유 표면에 탄소층을 코팅하는 단계(120), 흡습성 나노클레이 용액을 제조하는 단계(130), 흡습성 나노클레이 용액을 코팅 용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(140) 및 친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역을 혼합 용액에 침지하여 흡습성 나노클레이를 비대칭적으로 코팅함으로써, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제조하는 단계(150)를 포함할 수 있다.Figure 1 is a flow chart showing an example of a method of manufacturing a water-based energy generator asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay according to an embodiment of the present invention. The method of manufacturing an energy generator according to this embodiment includes the steps of cutting a hydrophilic fiber membrane according to a preset standard (110), immersing the hydrophilic fiber membrane in a coating solution that forms a carbon layer, and coating a carbon layer on the surface of the cotton fiber. Step 120, preparing a hygroscopic nanoclay solution (130), mixing the hygroscopic nanoclay solution with the coating solution to prepare a mixed solution (140), and immersing some areas of the hydrophilic fiber membrane in the mixed solution to make it hygroscopic. By asymmetrically coating the nanoclay, a step 150 of manufacturing a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with the two-dimensional hygroscopic nanoclay may be included.
친수성 섬유 멤브레인을 기설정된 규격에 따라 절삭하는 단계(110)에서, 기설정된 규격은 가로의 비율이 세로의 비율에 3배 이상인 규격을 포함할 수 있다. 보다 구체적인 예로, 가로와 세로의 비율이 7:2, 3:1 또는 19:6이 되도록 친수성 섬유 멤브레인을 절삭할 수 있다. 한편, 친수성 섬유 멤브레인은 일례로, 면 섬유 멤브레인을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로, 친수성 섬유 멤브레인은 면 직물(cotton fabric), 한지(mulberry paper), 폴리프로필렌 멤브레인(polypropylene membrane), 산소 플라즈마 처리된 부직포, 친수성 표면 처리가 이루어진 직물이나 나노섬유 중 적어도 하나를 활용하여 제작될 수 있다.In step 110 of cutting the hydrophilic fiber membrane according to a preset standard, the preset standard may include a standard in which the horizontal ratio is three times or more than the vertical ratio. As a more specific example, a hydrophilic fiber membrane can be cut to have a width-to-length ratio of 7:2, 3:1, or 19:6. Meanwhile, the hydrophilic fiber membrane may include, but is not limited to, a cotton fiber membrane. For example, the hydrophilic fiber membrane is manufactured using at least one of cotton fabric, mulberry paper, polypropylene membrane, non-woven fabric treated with oxygen plasma, fabric with hydrophilic surface treatment, or nanofiber. It can be.
친수성 섬유 멤브레인을 탄소층을 형성하는 코팅 용액에 침지시켜 면 섬유 표면에 탄소층을 코팅하는 단계(120)에서, 탄소층은 수퍼 P(Super P), 덴카블랙(Denka black), 아세틸랜 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(Ketjen black) 중에서 선택된 탄소입자 내지는, 활성 탄소(activated carbon), 그래핀(graphene) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 전도성의 탄소 물질로 구성될 수 있다. 이후의 실시예들에서는 발명의 이해를 돕기 위해 케첸 블랙을 이용하여 탄소층을 형성하는 과정들을 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다. 일실시예로, 코팅 용액에 포함되는 케첸 블랙 물질의 함량은 물 용매 대비 0.1 내지 10 wt% 범위에 포함될 수 있다. 또한, 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 효율적 건조 특성을 갖기 위해 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 단계(120)에서는 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 60℃ 내지 80℃의 범위에서 건조시킬 수 있다. 이때, 단계(120)에서는 친수성 섬유 멤브레인을 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 케첸 블랙 물질의 적재 양을 조절할 수 있다.In the step (120) of coating the carbon layer on the surface of the cotton fiber by immersing the hydrophilic fiber membrane in a coating solution forming a carbon layer, the carbon layer is selected from Super P, Denka black, and acetylene black ( It may be composed of carbon particles selected from acetylene black, Ketjen black, or a conductive carbon material containing at least one of activated carbon, graphene, and carbon nanotubes. You can. In the following embodiments, the process of forming a carbon layer using Ketjen black will be described to aid understanding of the invention, but is not limited thereto. In one embodiment, the content of the Ketjen Black material included in the coating solution may be in the range of 0.1 to 10 wt% relative to the water solvent. Additionally, the hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer may have a mesh structure to have efficient drying characteristics. In this case, in step 120, the hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer may be dried in the range of 60°C to 80°C. At this time, in step 120, the loading amount of the Ketjen black material can be controlled by adjusting the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the coating solution.
흡습성 나노클레이 용액을 제조하는 단계(130)에서, 흡습성 나노클레이는 층상 규산염으로, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 핵토라이트(hectorite), 마가다이트(magadite), 케냐이트(kenyaite), 카올린나이트(kaolinite), 사포나이트(saponite), 바이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 버미큘라이트(vermicullite), 팽윤성 운모(mica), 합성 운모(synthetic mica), 카네마이트(kanemite), 스멕타이트(smectite), 일라이트(illite), 클로라이트(chlorite), 무스코바이트(muscovite), 파이로필라이트(pyrophyllite), 안티고라이트(antigorite), 해록석(glauconite), 질석(vermiculite), 세피올라이트(sepiolite), 이모골라이트(imogolite), 소복카이트(sobockite), 나크라이트(nacrite), 아녹사이트(anauxite), 견운모(sericite), 레디카이트(ledikite), 온석면(chrysotile) 및 안티고라이트(antigorite) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 흡습성 나노클레이 용액에 포함되는 흡습성 나노클레이 함량은 물 용매 대비 0.1 내지 10 wt% 범위에 포함될 수 있다.In the step 130 of preparing the hygroscopic nanoclay solution, the hygroscopic nanoclay is a layered silicate, montmorillonite, hectorite, magadite, kenyaite, kaolinite. , saponite, beidelite, nontronite, vermicullite, swellable mica, synthetic mica, kanemite, smectite, illite, chlorite, muscovite, pyrophyllite, antigorite, glauconite, vermiculite, sepiolite, At least one of imogolite, sobockite, nacrite, anauxite, sericite, ledikite, chrysotile, and antigorite. It can be included. At this time, the hygroscopic nanoclay content included in the hygroscopic nanoclay solution may be included in the range of 0.1 to 10 wt% relative to the water solvent.
흡습성 나노클레이 용액을 코팅 용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계(140)에서는, 일실시예로 흡습성 나노클레이 용액을 코팅 용액과 혼합한 후, 초음파기기를 이용하여 흡습성 나노클레이 용액을 코팅 용액에 분산시켜 혼합 용액을 제조할 수 있다. In step 140 of preparing a mixed solution by mixing the hygroscopic nanoclay solution with the coating solution, in one embodiment, the hygroscopic nanoclay solution is mixed with the coating solution, and then the hygroscopic nanoclay solution is added to the coating solution using an ultrasonic device. A mixed solution can be prepared by dispersing.
친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역을 혼합 용액에 침지하여 흡습성 나노클레이를 비대칭적으로 코팅함으로써, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제조하는 단계(150)에서, 친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역은 상기 친수성 섬유 멤브레인의 전체 면적 대비 1%에서 50%의 범위에 포함되는 영역일 수 있다. 이때, 단계(150)에서는 친수성 섬유 멤브레인을 혼합 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 흡습성 나노클레이 물질의 적재 양을 조절할 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 효율적 건조 특성을 갖기 위해 메쉬(mesh) 구조를 가질 수 있으며, 단계(150)에서는 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 60℃ 내지 80℃의 범위에서 건조시킬 수 있다. 친수성 섬유 멤브레인에는 개별 섬유의 표면에 흡습성 나노클레이가 결착되어 코팅될 수 있다.In the step 150 of manufacturing a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay by immersing a portion of the hydrophilic fiber membrane in a mixed solution to asymmetrically coat the hygroscopic nanoclay, the hydrophilic fiber membrane A portion of the area may be an area ranging from 1% to 50% of the total area of the hydrophilic fiber membrane. At this time, in step 150, the loading amount of the hygroscopic nanoclay material can be adjusted by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the mixed solution. As already described, the hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer may have a mesh structure to have efficient drying characteristics, and in step 150, the hydrophilic fiber membrane coated asymmetrically with two-dimensional hygroscopic nanoclay The fiber membrane can be dried in the range of 60°C to 80°C. Hydrophilic fiber membranes can be coated with hygroscopic nanoclay bound to the surfaces of individual fibers.
이러한 도 1의 에너지 발전기의 제조 방법을 통해, 탄소층이 전체적으로 코팅되고, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 일부 영역에 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 포함하고, 친수성 섬유 멤브레인에서 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 영역에 물을 인가하여 물의 젖음 현상에 따라 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기를 제조할 수 있다.Through this method of manufacturing the energy generator of FIG. 1, the carbon layer is entirely coated, a two-dimensional hygroscopic nanoclay includes a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated in some areas, and a two-dimensional shape is formed on the hydrophilic fiber membrane. By applying water to an area asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay, an energy generator can be manufactured, which generates electrical energy according to the wetting phenomenon of the water.
이때, 친수성 섬유 멤브레인은 친수성으로 인해 자체적으로 물이 증발되는 시간을 지연시킬 수 있으나, 코팅된 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 물을 담지함으로써, 물이 증발되는 시간을 더욱 지연시킬 수 있게 된다.At this time, the hydrophilic fiber membrane itself can delay the time for water to evaporate due to its hydrophilic nature, but the coated two-dimensional hygroscopic nanoclay supports water, thereby further delaying the time for water to evaporate.
한편, 에너지 발전기에서는 탄소층이 전체적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 물에 의해 젖어 있는 영역(wetted region)과 젖어 있지 않은 영역(dry region)의 서로 다른 캐패시턴스(capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 발전될 수 있다. 이를 위해, 인가되는 물의 양은 1회당 0.1 μL 이상 1000 mL 이하의 범위에 포함될 수 있다. 또한, 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm 내지 1 mm의 범위에 포함될 수 있다.Meanwhile, in an energy generator, a voltage difference induced by the difference in capacitance between the wetted region and the dry region is created in a hydrophilic fiber membrane entirely coated with a carbon layer. Electrical energy can be generated. For this purpose, the amount of water applied may be in the range of 0.1 μL or more and 1000 mL or less per time. Additionally, the thickness of the hydrophilic fiber membrane may range from 10 μm to 1 mm.
생성되는 전기 에너지의 전압은 10 μV 이상 100 V 이하의 범위에 포함될 수 있으며, 전류는 1 nA 이상 100 mA 이하의 범위에 포함될 수 있다.The voltage of the generated electrical energy may be within the range of 10 μV or more and 100 V or less, and the current may be within the range of 1 nA or more and 100 mA or less.
2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 물 용매 대비 10 wt% 이상 포함될 경우 물 용매에 분산이 어려우며, 친수성 섬유 멤브레인에 코팅 시 나노클레이가 서로 뭉치는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙을 혼합 및 분산 시 초음파기기로 충분히 분산시키지 않으면 입자 간의 뭉침 현상이 생기는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이와 탄소층(일례로, 케첸 블랙)이 코팅된 에너지 발전기에 인가하는 물의 양이 0.02 ml 이하가 될 경우, 젖은 영역(wetted region)과 마른 영역(dry region) 사이에 충분한 캐패시턴스(capacitance) 차이가 발생되지 않아 전기 에너지가 생성되지 않는 문제가 발생할 수 있다.If the two-dimensional hygroscopic nanoclay is contained in an amount of more than 10 wt% compared to the water solvent, it is difficult to disperse in the water solvent, and when coated on a hydrophilic fiber membrane, a problem may occur where the nanoclay agglomerates together. In addition, if two-dimensional hygroscopic nanoclay and Ketjen black are not sufficiently dispersed using an ultrasonic device when mixing and dispersing, a problem of agglomeration between particles may occur. In addition, when the amount of water applied to an energy generator coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay and a carbon layer (e.g., Ketjen black) is less than 0.02 ml, a wet region and a dry region are formed. A problem may occur in which electrical energy is not generated because there is not a sufficient capacitance difference between the two.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 물 기반의 에너지 발전기의 제작 과정의 예를 도시한 도면이다. 도 2는 면 섬유 멤브레인을 케첸 블랙 용액에 담지하여 케첸 블랙 용액이 전체적으로 코팅된 면 섬유 멤브레인을 제조한 후, 이를 건조시키는 과정을 나타내고 있다. 또한, 도 2는 흡습성 나노클레이가 혼합된 용액을 제조한 후, 건조된 면 섬유 멤브레인을 일부분만 담지하여 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 면 섬유 멤브레인을 제조하고 이를 다시 건조하는 과정을 나타내고 있다.Figure 2 is a diagram showing an example of the manufacturing process of a water-based energy generator asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay, according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the process of preparing a cotton fiber membrane entirely coated with the Ketjen black solution by immersing the cotton fiber membrane in the Ketjen black solution and then drying it. In addition, Figure 2 shows the process of preparing a cotton fiber membrane asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay by preparing a solution mixed with hygroscopic nanoclay, then supporting only a portion of the dried cotton fiber membrane, and drying it again. .
실시예 1: 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 물 기반 에너지 발전기의 제조Example 1: Preparation of a water-based energy generator asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay
실시예 1에 따른 에너지 발전기를 제조하기 위해, 우선 면(cotton) 섬유 멤브레인을 20mm(세로) × 70mm(가로)의 규격으로 절삭하여 준비하였다. 또한, 케첸 블랙 용액을 제조하기 위해, 80mL의 투명 용기에 케첸 블랙 0.1g과 계면활성제(sodium dodecylbenzenesulfonate, SDBS) 0.2g을 20ml의 탈이온수(deionized water)와 혼합한 후, 초음파처리를 통해 고르게 혼합 및 분산시켰다. 이후, 절삭된 면 섬유 멤브레인을 케첸 블랙이 분산된 용액에 1회 침지한 후 메쉬(mesh) 위에 올려 60℃의 건조오븐에서 건조시켰다.To manufacture the energy generator according to Example 1, a cotton fiber membrane was first prepared by cutting into a size of 20 mm (length) × 70 mm (width). In addition, to prepare Ketjen Black solution, 0.1 g of Ketjen Black and 0.2 g of surfactant (sodium dodecylbenzenesulfonate, SDBS) were mixed with 20 ml of deionized water in an 80 mL transparent container, and then mixed evenly through sonication. and dispersed. Afterwards, the cut cotton fiber membrane was immersed once in a solution in which Ketjen black was dispersed, then placed on a mesh and dried in a drying oven at 60°C.
또한, 흡습성 나노클레이 용액을 제작하기 위해, 80mL의 투명 용기에 몬모릴로나이트(montmorillonite, MMT) 0.01g을 20ml의 탈이온수와 혼합하여 80℃, 300rpm 조건으로 충분히 교반하였다. 이후, 앞서 설명한 방식으로 제조된 케첸 블랙 용액과 증류수에 잘 분산된 나노클레이 용액을 80mL의 투명 용기에 혼합 후 초음파처리를 통해 고르게 혼합 및 분산시켜 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙이 분산된 혼합 용액을 제조하였다.Additionally, to prepare a hygroscopic nanoclay solution, 0.01 g of montmorillonite (MMT) was mixed with 20 ml of deionized water in an 80 mL transparent container and thoroughly stirred at 80°C and 300 rpm. Afterwards, the Ketjen black solution prepared in the manner described above and the nanoclay solution well dispersed in distilled water were mixed in an 80 mL transparent container and then evenly mixed and dispersed through ultrasonic treatment to prepare a mixed solution in which hygroscopic nanoclay and Ketjen black were dispersed. did.
이후, 앞서 케첸 블랙 용액에 1회 침지 후 건조된 면 섬유 멤브레인의 일부(일례로, 절반)를 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙이 분산된 혼합 용액에 1회 침지한 후, 메쉬 위에 올려 60℃의 건조오븐에서 건조시킴으로써 최종적으로 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 코팅된 물 기반 에너지 발전기를 제작하였다.Afterwards, a portion (e.g., half) of the cotton fiber membrane previously immersed once in the Ketjen Black solution and dried is dipped once in a mixed solution in which hygroscopic nanoclay and Ketjen Black are dispersed, and then placed on the mesh and dried at 60°C. By drying in an oven, a water-based energy generator coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay was finally produced.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 코팅 공정에 따른 친수성 섬유 멤브레인의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지들이다. 도 3은 면 섬유 멤브레인의 주사전자현미경 이미지를, 도 4는 케첸 블랙이 코팅된 면 섬유 멤브레인의 주사전자현미경 이미지를, 도 5는 흡습성 나노클레이가 코팅된 면 섬유 멤브레인의 주사전자현미경 이미지를, 도 6은 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙이 모두 코팅된 면 섬유 멤브레인의 주사전자현미경 이미지를 각각 나타내고 있다. 면 섬유 멤브레인에 케첸 블랙 용액 및 흡습성 나노클레이가 코팅된 면 섬유 멤브레인에 대한 도 6의 이미지와 아무것도 코팅하지 않은 일반적인 면 섬유 멤브레인에 대한 도 4의 이미지간의 차이점을 확인할 수 있다. 또한, 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙을 혼합하여 코팅할 경우, 도 4 및 도 5와 같이, 면 섬유 멤브레인의 개별 섬유상에 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙이 코팅됨을 각각 확인할 수 있다.Figures 3 to 6 are scanning electron microscope (SEM) images of a hydrophilic fiber membrane according to a coating process, according to an embodiment of the present invention. Figure 3 is a scanning electron microscope image of a cotton fiber membrane, Figure 4 is a scanning electron microscope image of a cotton fiber membrane coated with Ketjen Black, Figure 5 is a scanning electron microscope image of a cotton fiber membrane coated with hygroscopic nanoclay, Figure 6 shows scanning electron microscopy images of cotton fiber membranes coated with both hygroscopic nanoclay and Ketjen black, respectively. Differences can be seen between the image in FIG. 6 for a cotton fiber membrane coated with Ketjen black solution and hygroscopic nanoclay and the image in FIG. 4 for a typical cotton fiber membrane without any coating. In addition, when the hygroscopic nanoclay and Ketjen black are mixed and coated, it can be seen that the hygroscopic nanoclay and Ketjen black are coated on the individual fibers of the cotton fiber membrane, as shown in Figures 4 and 5, respectively.
한편, 제작된 에너지 발전기의 전력 생성 특성을 평가하기 위해, 에너지 발전기에서 비대칭적으로 흡습성 나노클레이가 코팅되어 있는 영역에 0.2ml의 탈이온수를 떨어뜨렸다. 이때, 전위가변기(potentiostat)를 이용하여 개방 전압(open circuit voltage) 및 단락 전류(short circuit voltage) 특성을 평가하였다.Meanwhile, to evaluate the power generation characteristics of the fabricated energy generator, 0.2 ml of deionized water was dropped on the area of the energy generator asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay. At this time, open circuit voltage and short circuit voltage characteristics were evaluated using a potentiostat.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 첨가된 물 기반 에너지 발전기의 전력 생성 특성을 나타낸 그래프들이다.Figures 7 to 10 are graphs showing the power generation characteristics of a water-based energy generator to which two-dimensional hygroscopic nanoclay is asymmetrically added, according to an embodiment of the present invention.
도 7의 그래프는 흡습성 나노클레이(MMT)가 비대칭적으로 코팅된 에너지 발전기가 비교를 위한 기존의 에너지 발전기(Reference)에 비해 에너지(전압) 생산 지속시간이 증가됨을 나타내고 있다.The graph in FIG. 7 shows that the energy (voltage) production duration of the energy generator asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay (MMT) increases compared to the existing energy generator (Reference) for comparison.
도 8의 그래프는 흡습성 나노클레이(MMT)가 비대칭적으로 코팅된 에너지 발전기에서 비교를 위한 기존의 에너지 발전기(Reference)에 비해 에너지(전류) 생산 지속시간이 증가됨을 나타내고 있다.The graph of FIG. 8 shows that the energy (current) production duration is increased in the energy generator asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay (MMT) compared to the existing energy generator (Reference) for comparison.
비교예 1: 소수성으로 표면이 개질된 흡습성 나노클레이와 케첸 블랙이 코팅된 면 섬유 멤브레인 기반 에너지 발전기Comparative Example 1: Energy generator based on cotton fiber membrane coated with hydrophobic surface-modified hygroscopic nanoclay and Ketjen black
비교예 1에서는 흡습성 나노클레이를 이미 잘 알려진 방법을 이용하여 소수성 특성을 갖는 고분자로 표면을 개질하였다. 이후, 앞서 설명한 실시예 1에서와 같이, 케첸 블랙이 분산된 용액에 1회 침지 후 건조한, 면 섬유 멤브레인을 제조하고, 소수성으로 표면이 개질된 흡습성 나노클레이를 이용하여 혼합 용액을 제조한 후, 면 섬유 멤브레인을 절반만 소수성으로 표면 개질된 나노클레이와 케첸 블랙이 분산된 용액에 1회 침지 및 건조하여 최종적으로 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 첨가된 물 기반 에너지 발전기를 제작하였다.In Comparative Example 1, the surface of hygroscopic nanoclay was modified with a polymer having hydrophobic properties using a well-known method. Then, as in Example 1 described above, a cotton fiber membrane was prepared by dipping it once in a solution in which Ketjen black was dispersed and then drying it, and then preparing a mixed solution using hygroscopic nanoclay whose surface was modified to be hydrophobic, A cotton fiber membrane was immersed once in a solution containing semi-hydrophobic surface-modified nanoclay and Ketjen black dispersed and dried to produce a water-based energy generator with two-dimensional hygroscopic nanoclay added.
도 9 및 도 10은 실시예 1의 에너지 발전기와 비교예 1의 에너지 발전기의 개방 전압 및 단락 전류 특성을 나타내고 있다. 도 9 및 도 10의 그래프들을 살펴보면, 흡습성 나노클레이(MMT)가 비대칭적으로 코팅된 에너지 발전기에서 에너지(전압, 전류) 생산 지속시간이 증가되는 것에 비해 소수성으로 표면이 개질된 나노클레이(Modified MMT)의 경우 물 담지 능력이 떨어져 에너지(전압, 전류) 생산 지속시간이 감소됨을 확인할 수 있다. 이는 역으로 흡습성 나노클레이의 물 담지 능력에 의해 에너지(전압, 전류) 생산 지속시간이 증가함을 의미할 수 있다.9 and 10 show the open-circuit voltage and short-circuit current characteristics of the energy generator of Example 1 and the energy generator of Comparative Example 1. Looking at the graphs of Figures 9 and 10, compared to the increase in energy (voltage, current) production duration in the energy generator asymmetrically coated with hygroscopic nanoclay (MMT), nanoclay with a hydrophobic surface modified (Modified MMT) ), it can be seen that the energy (voltage, current) production duration is reduced due to the reduced water holding ability. Conversely, this may mean that the duration of energy (voltage, current) production increases due to the water-holding ability of hygroscopic nanoclay.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 화석 연료 고갈에 따른 에너지 위기에 대응하기 위해 주위에서 쉽게 찾을 수 있는 물을 에너지 동력으로 사용한 에너지 발전기를 제공할 수 있다. 또한, 기존에 물을 이용한 에너지 하베스터의 성능을 향상시키기 위해서 친환경적이며, 흡습성 나노클레이를 첨가하여 물의 증발 작용을 지연시킬 수 있다. 또한, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이를 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적으로 위치시켜, 높은 전위 차 및 전류를 장시간 생성할 수 있다. 또한, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이는 친수성 물질로 물에 분산이 용이하기 때문에 친수성 섬유 멤브레인의 표면에 2차원 형상의 흡습성 나노클레이를 균일하게, 그리고 비대칭적으로 코팅하는 것이 용이해진다. 또한, 탄소층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에 비대칭적 젖음(wetting) 현상의 지속 시간이 증가됨에 따라 에너지 생산 효율이 향상될 수 있다. 일례로, 0.2 ml의 소량의 물로 1시간 20분 이상의 에너지 생산이 가능하여 에너지 발전기를 전자 기기 및 웨어러블 기기의 보조 전원 장치로 활용하는 것이 가능해진다.In this way, according to embodiments of the present invention, in order to respond to the energy crisis caused by the depletion of fossil fuels, an energy generator using water that can be easily found around as energy power can be provided. In addition, in order to improve the performance of existing energy harvesters using water, the evaporation of water can be delayed by adding eco-friendly, hygroscopic nanoclay. In addition, by placing two-dimensional hygroscopic nanoclay asymmetrically on a hydrophilic fiber membrane coated with a carbon layer, high potential differences and currents can be generated for a long time. In addition, since the two-dimensional hygroscopic nanoclay is a hydrophilic material and is easily dispersed in water, it becomes easy to uniformly and asymmetrically coat the two-dimensional hygroscopic nanoclay on the surface of the hydrophilic fiber membrane. Additionally, energy production efficiency can be improved as the duration of the asymmetric wetting phenomenon in the hydrophilic fiber membrane coated with the carbon layer increases. For example, a small amount of 0.2 ml of water can produce energy for more than 1 hour and 20 minutes, making it possible to use the energy generator as an auxiliary power device for electronic devices and wearable devices.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.
Claims (20)
을 포함하고,
상기 친수성 섬유 멤브레인에서 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 영역에 물을 인가하여 물의 젖음 현상에 따라 전기 에너지를 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.Hydrophilic fiber membrane coated entirely with a carbon layer and asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay in some areas
Including,
An energy generator characterized in that electrical energy is generated according to the wetting phenomenon of water by applying water to an area of the hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with the two-dimensional hygroscopic nanoclay.
상기 친수성 섬유 멤브레인은 상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 물을 담지하여 물이 증발되는 시간을 지연시키는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The hydrophilic fiber membrane is an energy generator characterized in that the two-dimensional hygroscopic nanoclay supports water and delays the time for water to evaporate.
상기 2차원 형상의 흡습성 나노클레이는 층상 규산염으로, 몬모릴로나이트(montmorillonite), 핵토라이트(hectorite), 마가다이트(magadite), 케냐이트(kenyaite), 카올린나이트(kaolinite), 사포나이트(saponite), 바이델라이트(beidelite), 논트로나이트(nontronite), 버미큘라이트(vermicullite), 팽윤성 운모(mica), 합성 운모(synthetic mica), 카네마이트(kanemite), 스멕타이트(smectite), 일라이트(illite), 클로라이트(chlorite), 무스코바이트(muscovite), 파이로필라이트(pyrophyllite), 안티고라이트(antigorite), 해록석(glauconite), 질석(vermiculite), 세피올라이트(sepiolite), 이모골라이트(imogolite), 소복카이트(sobockite), 나크라이트(nacrite), 아녹사이트(anauxite), 견운모(sericite), 레디카이트(ledikite), 온석면(chrysotile) 및 안티고라이트(antigorite) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The two-dimensional hygroscopic nanoclay is a layered silicate, including montmorillonite, hectorite, magadite, kenyaite, kaolinite, saponite, and bilayer. beidelite, nontronite, vermicullite, swellable mica, synthetic mica, kanemite, smectite, illite, chlorite (chlorite), muscovite, pyrophyllite, antigorite, glauconite, vermiculite, sepiolite, imogolite, sobok An energy generator comprising at least one of sobockite, nacrite, anauxite, sericite, ledikite, chrysotile, and antigorite. .
상기 탄소층이 전체적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인에서 물에 의해 젖어 있는 영역(wetted region)과 젖어 있지 않은 영역(dry region)의 서로 다른 캐패시턴스(capacitance) 차이에 의해 유도된 전압 차이를 만들어 전기 에너지가 발전되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
Electrical energy is generated by creating a voltage difference induced by the difference in capacitance between the wetted region and the dry region in the hydrophilic fiber membrane entirely coated with the carbon layer. An energy generator characterized in that it becomes.
상기 친수성 섬유 멤브레인은 개별 섬유의 표면에 흡습성 나노클레이가 결착되어 코팅되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The hydrophilic fiber membrane is an energy generator characterized in that the surface of the individual fibers is coated with hygroscopic nanoclay.
상기 인가되는 물의 양은 1회당 0.1 μL 이상 1000 mL 이하의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
An energy generator, characterized in that the amount of water applied is within the range of 0.1 μL or more and 1000 mL or less per time.
상기 인가되는 물은 HF, LiF, NaF, KF, RbF, HCl, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, BeCl2, MgCl2, CaCl2, SrCl2, BaCl2, HBr, LiBr, NaBr, KBr 및 RbBr 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The applied water is HF, LiF, NaF, KF, RbF, HCl, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, BeCl 2 , MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 , HBr, LiBr, NaBr, KBr and RbBr. An energy generator comprising at least one.
상기 친수성 섬유 멤브레인의 두께는 10 μm 내지 1 mm의 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
An energy generator, characterized in that the thickness of the hydrophilic fiber membrane is in the range of 10 μm to 1 mm.
상기 전기 에너지의 전압은 10 μV 이상 100 V 이하의 범위에 포함되고,
상기 전기 에너지의 전류는 1 nA 이상 100 mA 이하의 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The voltage of the electrical energy is within the range of 10 μV to 100 V,
The current of the electrical energy is within the range of 1 nA or more and 100 mA or less.
An energy generator characterized by .
상기 탄소층은 수퍼 P(Super P), 덴카블랙(Denka black), 아세틸랜 블랙(acetylene black), 케첸 블랙(Ketjen black) 중에서 선택된 탄소입자 내지는, 활성 탄소(activated carbon), 그래핀(graphene) 및 탄소나노튜브(carbon nanotube) 중 적어도 하나 이상을 포함하는 전도성의 탄소 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기.According to paragraph 1,
The carbon layer is made of carbon particles selected from Super P, Denka black, acetylene black, and Ketjen black, activated carbon, or graphene. and an energy generator comprising a conductive carbon material including at least one of carbon nanotubes.
(a) 친수성 섬유 멤브레인을 기설정된 규격에 따라 절삭하는 단계;
(b) 상기 친수성 섬유 멤브레인을 탄소층을 형성하는 코팅 용액에 침지시켜 면 섬유 표면에 탄소층을 코팅하는 단계;
(c) 흡습성 나노클레이 용액을 제조하는 단계;
(d) 상기 흡습성 나노클레이 용액을 상기 코팅 용액과 혼합하여 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
(e) 상기 친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역을 상기 혼합 용액에 침지하여 흡습성 나노클레이를 비대칭적으로 코팅함으로써, 2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 제조하는 단계
를 포함하는 에너지 발전기의 제조 방법.In a method of manufacturing an energy generator,
(a) cutting the hydrophilic fiber membrane according to preset standards;
(b) coating the carbon layer on the surface of the cotton fiber by immersing the hydrophilic fiber membrane in a coating solution that forms a carbon layer;
(c) preparing a hygroscopic nanoclay solution;
(d) mixing the hygroscopic nanoclay solution with the coating solution to prepare a mixed solution; and
(e) preparing a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay by immersing a portion of the hydrophilic fiber membrane in the mixed solution to asymmetrically coat the hygroscopic nanoclay.
A method of manufacturing an energy generator comprising.
상기 (a) 단계에서,
상기 기설정된 규격은 가로의 비율이 세로의 비율에 3배 이상인 규격을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
In step (a) above,
The preset standard is a method of manufacturing an energy generator, characterized in that it includes a standard in which the horizontal ratio is three times or more than the vertical ratio.
상기 탄소층은 케첸 블랙 층을 포함하고,
상기 (b) 단계에서,
상기 코팅 용액에 포함되는 케첸 블랙 물질의 함량은 물 용매 대비 0.1 내지 10 wt% 범위에 포함되는 것
을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
The carbon layer includes a Ketjen black layer,
In step (b) above,
The content of Ketjen Black material contained in the coating solution is in the range of 0.1 to 10 wt% compared to the water solvent.
A method of manufacturing an energy generator characterized by a.
상기 탄소층은 케첸 블랙 층을 포함하고,
상기 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 효율적 건조 특성을 갖기 위해 메쉬(mesh) 구조를 갖고,
상기 (b) 단계에서,
상기 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 60℃ 내지 80℃의 범위에서 건조시키는 것
을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
The carbon layer includes a Ketjen black layer,
The hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer has a mesh structure to have efficient drying characteristics,
In step (b) above,
Drying the hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer at a temperature ranging from 60°C to 80°C.
A method of manufacturing an energy generator characterized by a.
상기 탄소층은 케첸 블랙 층을 포함하고,
상기 (b) 단계에서,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 코팅 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 케첸 블랙 물질의 적재 양을 조절하는 것
을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
The carbon layer includes a Ketjen black layer,
In step (b) above,
Controlling the loading amount of Ketjen Black material by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the coating solution.
A method of manufacturing an energy generator characterized by a.
상기 (c) 단계에서,
상기 흡습성 나노클레이 용액에 포함되는 흡습성 나노클레이 함량은 물 용매 대비 0.1 내지 10 wt% 범위에 포함되는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
In step (c) above,
A method of manufacturing an energy generator, characterized in that the hygroscopic nanoclay content contained in the hygroscopic nanoclay solution is contained in the range of 0.1 to 10 wt% relative to the water solvent.
상기 (d) 단계에서,
상기 흡습성 나노클레이 용액을 상기 코팅 용액과 혼합한 후, 초음파기기를 이용하여 상기 흡습성 나노클레이 용액을 상기 코팅 용액에 분산시켜 상기 혼합 용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
In step (d) above,
A method of manufacturing an energy generator, characterized in that the mixed solution is prepared by mixing the hygroscopic nanoclay solution with the coating solution and then dispersing the hygroscopic nanoclay solution into the coating solution using an ultrasonic device.
상기 (e) 단계에서,
상기 친수성 섬유 멤브레인의 일부 영역은 상기 친수성 섬유 멤브레인의 전체 면적 대비 1%에서 50%의 범위에 포함되는 영역인 것을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
In step (e) above,
A method of manufacturing an energy generator, characterized in that the partial area of the hydrophilic fiber membrane is an area included in the range of 1% to 50% of the total area of the hydrophilic fiber membrane.
상기 (e) 단계에서,
상기 친수성 섬유 멤브레인을 상기 혼합 용액에 함침시키는 횟수를 조절하여 흡습성 나노클레이 물질의 적재 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
In step (e) above,
A method of manufacturing an energy generator, characterized in that the loading amount of the hygroscopic nanoclay material is controlled by controlling the number of times the hydrophilic fiber membrane is impregnated with the mixed solution.
상기 탄소층은 케첸 블랙 층을 포함하고,
상기 케첸 블랙 층이 코팅된 친수성 섬유 멤브레인은 효율적 건조 특성을 갖기 위해 메쉬(mesh) 구조를 갖고,
상기 (e) 단계에서,
2차원 형상의 흡습성 나노클레이가 비대칭적으로 코팅된 친수성 섬유 멤브레인을 60℃ 내지 80℃의 범위에서 건조시키는 것
을 특징으로 하는 에너지 발전기의 제조 방법.According to clause 11,
The carbon layer includes a Ketjen black layer,
The hydrophilic fiber membrane coated with the Ketjen black layer has a mesh structure to have efficient drying characteristics,
In step (e) above,
Drying a hydrophilic fiber membrane asymmetrically coated with two-dimensional hygroscopic nanoclay at a temperature ranging from 60°C to 80°C.
A method of manufacturing an energy generator characterized by a.
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-
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Guobin Xue et al., Water-evaporation-induced electricity with nanostructured carbon materials, nature nanotechnology Letters 2016, vo.12. pp.317-322.(2017.1.30) |
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